基于GNSS基准站网的对流层延迟建模

针对在卫星导航定位中,通常采用对流层模型进行,对流层延迟误差修正的现状,该文研究了一种基于GNSS基准站网的对流层延迟建模方法,并基于此方法利用日本地区GENET参考网约737个站5a的GNSS-ZTD序列建立了区域对流层模型ZTDM-JPN,并将ZTDM-JPN模型应用于GPS及北斗定位实验,分析了其在GPS及北斗定位中的实际应用性能。通过与国际上常用的对流层模型EGNOS、UNB3m作比较,结果表明,ZTDM-JPN模型的模拟精度较相同条件下的EGNOS与UNB3m模型分别提升约26%和21%,从而验证了该建模方法的可行性与优越性。     

一种对流层延迟模型的优化方法

Bernese软件是一款高精度GNSS数据处理软件,软件内部所含的改正模型一般是全球化的模型,在某些区域化的研究中不是很适用。因此本文通过Lahey/FujitsuFortran 95编译器对Bernese进行编译,对已有的对流层延迟模型进行修改,将区域化的模型加入到Bernese中。下载IGS跟踪站的数据,使用Bernese软件对修改的模型进行数据处理,在对流层结果文件中可以看到整个运算结果。通过对于Bernese软件内部模型的编译,对于其他模型的改进研究也有一定借鉴意义。     

顾及映射函数误差的对流层延迟两步估计法

利用VLBI、GNSS等空间大地测量数据估计对流层延迟时,通常不考虑映射函数的误差,但这种处理策略最终会对估计结果造成不可忽略的影响。首先,根据多年的气象资料,分析了映射函数误差随高度角的变化特性,然后构建了映射函数误差模型,进而提出了一种顾及映射函数误差的对流层延迟两步估计法。试验表明,本文提出的方法可有效削弱斜路径延迟残差,并在一定程度上改善对流层湿延迟的估计精度。     

区域精密对流层延迟建模

在详细分析高差以及对流层延迟水平变化对GPS测量精度影响的基础上,通过Bernese软件估算香港连续参考站网基站数年的天顶对流层延迟,建立了符合香港地区的只需时间与位置输入参数的精密对流层延迟改正模型。经检验,新模型的对流层改正精度与输入标准气象的Saastamoinen模型相比提高了约2～3倍,对高差较大的对流层延迟改正效果更加显著。     

GNSS天顶对流层延迟的短时天气预报分析

针对天顶对流层延迟(ZTD)与大气可降水量(PWV)相关性特征及变化规律,该文提出基于无气象元素ZTD短时天气监测及预报的方法.该文以北京市2013-2015年BJFS站 日均数据为例,采用GZTD和Saastamoinen+GPT2模型拟合,得到传统的无气象元素的PWV模型.并利用2016年BJFS站ZTD和气象数据,计算出PWV1(含气象元素)和PWV2(无气象元素)数据,通过定量数据分析得出:PWV1与PWV2、ZTD相关系数分别达到0.633 2,0.967 6;PWV2与ZTD相关性为0.649 8.从短期数据,BJFS站6-9月的ZTD与PWV1相关性系数为0.969 6.这证明了 ZTD能够真实反映PWV1的真实变化趋势,同时也说明ZTD应用于短时天气预报的可行性.最后针对北京地区2016年的降雨、降雪和雾霾等极端天气事件,采用ZTD方法对其进行了分析研究,并取得了较好的效果.     

一种网络RTK对流层斜延迟的估计方法

针对网络RTK数据处理方法中,卫星高度角较低时湿分量映射函数误差较大所引起的问题,提出了一种直接估计斜方向对流层湿延迟的网络RTK数据处理方法,并通过试验对该方法的效果进行分析.在该方法中,斜方向湿延迟直接作为参数进行估计,通过增加虚拟观测引入不同卫星湿延迟参数间的相关性,通过建立适当的状态转移模型引入同一卫星湿延迟参数历元间的相关性.实验结果表明,该方法能精确估计对流层湿延迟,降低了对流层延迟对模糊度估计的影响,提高了网络RTK数据处理的质量.     

一种顾及电子元件延迟的超宽带室内定位方法

针对超宽带定位系统中存在多种误差影响定位精度的问题,本文全面分析了超宽带室内定位的误差源,给出了超宽带室内定位基本函数模型,提出了将电子元件延迟这一系统差与三维坐标同时作为参数进行估计,并通过高斯-牛顿迭代算法得到定位结果的方法。试验结果表明,该方法能有效消除位置系统偏差,两组静态试验均以全站仪测量结果作为真值,点位误差分别为4.1、2.3 cm,相较于已有方法分别提高了64%和87%,而动态试验结果更接近于参考轨迹,最大误差小于10 cm。     

全球高精度对流层延迟建模及其在地基GNSS技术中的应用研究

对流层延迟是空间大地测量技术的一种主要误差源。在GNSS中,一般采用模型化或参数估计的方法削弱对流层延迟影响。目前已建立的对流层经验模型均是基于单一数据源,时空分辨率和精度有限,且现有的模型应用研究大多局限于定位解算的直接改正法。本文旨在建立高精度的对流层延迟模型,发展其在地基PPP和GNSS-IR(GNSS interferometric reflectometry)技术中应用的新方法,围绕多源对流层延迟产品精度评估、多源对流层延迟模型和高精度湿延迟模型建立、对流层延迟模型在PPP以及地基GNSS-IR技术中的应用展开研究,主要工作和贡献如下:(1)提出了顾及相邻层之间协方差的探空对流层延迟精度评定方法,得到全球312个探空站2010—2015年的ZHD,ZWD和ZTD的精度分别为2.87 mm、2.71 mm和4.85 mm。     

京津冀地区GNSS对流层延迟空间插值研究

对流层延迟差异影响合成孔径雷达干涉测量技术(InSAR)形变测量精度;水汽的变化影响天气变化.对流层延迟与水汽具有较好的对应,因此有必要开展全球导航卫星系统(GNSS)对流层延迟的插值研究.以京津冀地区为例,针对GNSS对流层延迟,开展对流层延迟的空间插值研究.首先开展了GNSS对流层延迟与水汽的比较分析,两者存在显著正相关特性,相关性超过91.7%,论证了对流层延迟取代水汽的可行性.然后利用反距离权重法对京津冀地区2016年9月至2017年8月的12组GNSS测站对流层延迟进行空间插值,通过提取插值点对流层延迟与GNSS站点对流层延迟比较验证空间插值精度.全年数据平均偏差最大为1.12cm,均方根误差最大为0.89cm;未发生降水过程平均偏差最大为1.25cm,均方根误差最大为0.82cm;发生降水过程平均偏差最大为1.08cm,均方根误差最大为1.38cm.京津冀平原区域的GNSS对流层延迟空间插值结果精度满足气象等应用要求,可为气象预报和InSAR大气校正提供参考.     

顾及层析区域外测站的GNSS水汽层析建模方法

针对传统水汽层析技术无法利用层析区域外GNSS测站数据的现状,提出一种顾及层析区域外测站数据的三维水汽建模方法.基于GPT2w模型计算层析区域的水汽密度初始场,首先,引入比例系数并联合水汽密度初值确定该比例系数表达式;然后,估计层析区域外测站信号在区域内的水汽含量;最后,构建顾及层析区域外测站数据的水汽观测方程.本文方法能够有效利用层析区域外的测站数据,改善层析结果的精度和可靠性,但仅能利用层析区域外一定范围内的测站.选取浙江CORS网中24个GNSS测站和一个无线电探空站共23 d的数据进行验证.试验结果表明,相对于传统层析方法,本文方法的射线利用率和有射线穿过的体素数分别提高了26.8％ 和14.9％;以探空数据为参考基准,本文方法计算的IWV和水汽密度均优于传统方法.     

对流层延迟模型的残差包络建模

全球导航卫星系统(GNSS)的信号在穿过对流层时会产生延迟,通常使用经验模型对其进行修正。为确保定位结果安全可信,需建立经模型改正后的对流延迟残余误差的包络模型,用于位置服务的完好性监测。航空无线电技术委员会(radio technical committee for aeronautics, RTCA)推荐航空中使用0.12 m作为天顶对流层延迟残差的包络标准差。这一常值设定忽略了对流层延迟残余误差的地理和季节性变化,一定程度上降低了GNSS在涉及生命安全(safety of life, SoL)应用中的连续性和可用性。本文同时考虑经模型改正后的对流层延迟残余误差的地理和季节性变化,利用极值分析法建立了这些残余误差的包络模型。首先,将2000—2017年间共18 a的对流层延迟残差以10°为一带分纬度带进行日标准化,以提取对流层延迟残差的季节性变化信息;然后,用广义极值(general extreme value, GEV)分布分别拟合标准化残差和原始残差日均值的年最大、最小值,进而计算在10^-7概率水平下的残差限值;最后,将残差限值转化为包络标准差。本文分别建...     

地基GNSS全球电离层延迟建模

海量地基GPS双频观测为电离层延迟建模提供了高分辨率时空覆盖的数据源。尽管如此,穿刺点的数量及空间分布、观测精度影响着建模精度。GLONASS/GPS兼容接收机增加了可观测的卫星数,改善了穿刺点的几何分布。基于此,完整地给出了GLONASS/GPS联合全球电离层延迟建模的算法实现以及数据处理策略。实测数据表明,在当前IGS站网分布下,GLONASS数据改善了全球电离层延迟模型化效果;卫星的DCB稳定性优于接收机的DCB,但GLONASS卫星DCB稳定性差于GPS卫星。     

地基GNSS全球电离层延迟建模

为了对区域电离层延迟进行实时模型化,利用中国区域GPS实测资料,基于球冠谐函数模型、低阶球谐函数模型、多项式模型和Kriging内插方法,构建了电离层延迟模型。重点讨论了电离层垂直总电子含量(vertical total electron content,VTEC)的空间变异性、相关性的统计计算和Kriging内插估计方法,实现了中国区域VTEC格网实时建模。验证结果表明,高纬度地区VTEC拟合精度优于低纬度地区,Kriging内插估计和多项式模型结果的拟合内符合精度明显优于球冠谐函数模型和低阶球谐函数模型。但多项式拟合的格网,其方差则存在明显的边际效应,拟合区域中央精度较高,区域边缘地带精度明显下降;Kriging算法估计的格网点VTEC方差更符合实际情况,穿刺点多的地方,格网点精度较高。     

地基GNSS全球电离层延迟建模

中国的北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system,BDS)是全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)中唯一全星座提供3频信号的卫星导航系统,其信号频率间共存在3种频间偏差(differential code bias,DCB),分别是DCB_C2I-C7I、DCB_C2I-C6I、DCB_C7I-C6I。理论上,这3种DCB之间存在代数和为零的关系。基于3种频间偏差闭合差约束,加入DCB观测方程,以北斗中轨道(medium earth orbit,MEO)和倾斜地球同步轨道(inclined geosynchronous satellite orbit,IGSO)卫星作为参考卫星,采用附加限制条件的间接平差方法同步估计BDS的3种DCB。选取2018年1月1日—30日多模GNSS实验(multi-GNSS experiment,MGEX)基准站的BDS 3频数据,分别采用附加闭合差约束估计和独立求解两种方法计算北斗二代卫星的3种频间偏差。以中国科学院(Chinese Academy of Sciences,CAS)和德国宇航中心(Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt,DLR)的DCB产品作为参考,分析了所提方法估计的DCB精度、稳定性及部分典型卫星的DCB时间序列,验证了所提方法对北斗3频DCB估计的适用性和科学性,并通过BDS单频标准单点定位(standard point positioning,SPP)实验验证了DCB对单点定位精度的影响效果。     

融合GNSS兼容频率静态PPP对流层延迟评估

为进一步评估周边对流层延迟,本文基于中国境内以及周边5个MGEX跟踪站,对比分析BDS-3及与BDS-3兼容频率组合静态精密单点定位精度以及评估对流层延迟结果。实验结果表明,双系统组合能有效改善卫星状况,BDS-3以及其他情况静态精密单点定位水平精度优于1.5 cm,高程定位精度优于3 cm,评估对流层延迟结果较好,JFNG站评估对流层延迟结果误差在1 cm以内,其余测站评估对流层延迟结果误差在1—2 cm之间。     

一种新的全球对流层天顶延迟模型

利用IGS提供的高精度对流层天顶延迟数据,在全球范围内详细分析对流层延迟在高程及水平方向的变化规律,建立了一种新的全球对流层天顶延迟模型。该模型计算方法简单,只与年积日和位置参数有关,无需气象参数。经检验,新模型的对流层延迟改正精度优于输入标准气象参数的几种常用的对流层延迟模型,满足卫星实时定位和导航的精度要求。     

一种改进的全球对流层天顶延迟模型

顾及文献[16]所建立的全球对流层天顶延迟模型GZTD的时间分辨率为24h,为进一步提高GZTD模型的时间分辨率,利用GGOS atmosphere的2002—2009年全球天顶对流层延迟格网时间序列按照其6h的时间分辨率分别建模,再采用三次样条插值计算任意时刻的天顶对流层延迟估值,由此构建了一种时间分辨率更高(6h)的改进的GZTD模型(GZTD-6h)。经过两种模型内符合检验对比分析表明,GZTD-6h模型内符合精度(bias:0.17cm,RMS:3.9cm)优于GZTD(bias:0.17cm,RMS:4.4cm)。使用全球IGS站进行外符合检验,统计结果表明GZTD-6h模型(bias:-0.22cm,RMS:4.05cm)相比GZTD(bias:-0.45cm,RMS:4.51cm)改善明显。     

大型桥梁桥塔监测的GNSS相对对流层延迟估计

针对大型桥梁桥塔与基站高程差异较大,残余对流层延迟成为影响全球卫星导航系统(GNSS)监测成功率与精度的主要因素之一。该文基于随机过程理论,对桥梁监测GNSS残余对流层湿延迟进行参数估计,有效地提高了桥梁塔顶监测GNSS模糊度固定率。通过采用对流层经验模型改正对流层干延迟,将基准站和塔顶观测站对流层湿延迟组成相对对流层湿延迟,并联合位置参数和模糊度参数建立双差卡尔曼模型,最后利用最小二乘模糊度降低相关平差法(LAMBDA)对双差模糊度进行固定,并估计位置参数与相对对流层延迟参数。实验结果表明,该方法可以有效估计相对对流层延迟,有效提高GNSS模糊度固定率。     

一种基于SARIMA的经验对流层延迟模型

为了减弱对流层延迟的影响,提高GNSS定位精度,探讨了在无气象参数的条件下,利用预测模型计算对流层延迟的可能性,并提出了一种经验对流层延迟预测模型,即基于季节性自回归移动平均模型（SARIMA）的对流层延迟预报方法。结合中国长春和上海两个地区的ZTD数据进行预测分析,预测结果表明：基于SARIMA的ZTD预报模型能够满足不同地区不同时段下的ZTD估计需求,是一种较高精度的ZTD预报方法。     

顾及分段表达的中国区域对流层天顶湿延迟模型

高精度的对流层天顶湿延迟（ZWD）在GNSS高精度定位及大气水汽监测中具有重要作用。中国区域具有疆域辽阔、地形多变等特点,垂直方向存在规律难循的气流变化,而大多数ZWD模型仅采用单一函数对大气高度范围内变化进行拟合,或未考虑季节变化因素,因此在中国区域适用性较差。本文以中国区域MERRA-2大气再分析资料为数据源对ZWD展开深入研究,建立了一种顾及分段表达的中国区域ZWD模型（CZWD模型）;并以中国区域89个探空站积分计算的ZWD数据为参考值检验模型的精度。结果表明,CZWD模型的年均偏差（Bias）和年均均方根值（RMS）误差分别为-2.9、21.9 mm,精度优于目前应用较广的GPT3模型,且提高了5%,在中国区域总体上显示出较优的精度和适用性。因此,CZWD模型对于中国区域GNSS导航定位及水汽监测具有重要意义。